摘要：對超長焦距復消色光學系統的光學設計過程進行了詳盡的介紹，應用ZEMAX軟體進行了光學設計仿真與分析，討論了由超長焦距帶來的復消色難題，分析了幾種校正二級光譜方法的優缺點，分別採用特殊玻璃(TF3)與普通光學玻璃進行了設計，針對使用特殊玻璃所引起的環境友好與工藝性問題進行了探討，通過玻璃特性對比得到了使用常規玻璃替換特種玻璃的結果。使用特殊玻璃的設計結果表明：系統的最大軸向色差不超過0.02mm，在使用的全波段內得到了復消色結果，並且主光線與能量中心的偏差控制在了1Lm內，其他像差也均達到或超過了設計指標。
關鍵詞：光學設計；長焦距；復消色；特殊玻璃
大口徑、長焦距光學系統的應用範圍非常廣泛，既可以作為小口徑低等級平行光管和其他無限共軛成像光學系統校調和像質檢測的測量基準，也可以作為望遠系統在空間光通信系統中進行通信光優質傳輸和對準光束，以保證成像質量。
大口徑、長焦距系統主要的結構型式有透射式、反射式、折反射式.透射式常用的結構為雙膠合和雙分離結構，雙膠合望遠物鏡結構簡單、製造方便、光能損失小，可以校正球差和色差。雙分離物鏡可以在更大的範圍內選擇玻璃，對球差、色差進行校正,並且雙分離物鏡能夠適應較大的相對孔徑;由於反射式物鏡使用雙曲面或拋物面反射鏡，可以不產生色差,易於製作成大孔徑,並且當反射面形狀合適時，又可以校正球差，常用於製造直徑達幾米的天文望遠鏡；折反射式系統以球面反射鏡為基礎，加入適當的折射元件用來校正球差也可以得到良好的效果。
由於透射式結構受質量和工藝上的限制並不適合製造口徑達幾米的天文望遠鏡，而反射式與折反射式系統存在遮攔比，與簡單結構的透射式結構相比光能損失較大。以遮攔比為14的系統鍍銀表面為例，光線在正入射的時候反射比接近於1[1]，但實際上非球面反射面的入射光線不可能正入射，其反射效率也只有70%到80%左右,即使鍍增反膜後,反射率達到90%以上，其系統光能透過率也只有75%以下。如果採用離軸結構，雖然不存在遮攔比的問題，但將給裝調帶來困難.在透射式結構中，通過對鏡片表面進行鍍膜處理可以極大地提高光能透過率。以四片透鏡為例，其透過率可以達到(0.9995)8≈0.996，且裝調簡單,這在製造弱光和微光模擬器時的優勢比較明顯。本文所設計的光學系統就是服務於弱光模擬器系統。
1.設計難點
大口徑、長焦距光學系統的核心結構為平行光管物鏡，由於視場較小，主要校正球差、彗差和位置色差。對於透射式系統，使用雙膠合結構就可以很好地校正球差和彗差，主要難點在於對色差的校正。光學系統通過不同色散性質的光學材料對不同色光的折射進行補償(位置色差校正)，力求使各色光形成統一的焦面，但實際上系統只能對某幾個孔徑帶上的2~3種波長的光線進行消色差。在寬光譜條件下，光帶孔徑(一般為0.707帶)對兩種色光校正了位置色差，它們和光軸的公共焦點並不和第三種光帶孔徑光線和光軸的交點重合，其偏差稱為二級光譜。對於一般的光學系統，在成像質量要求不是很高的情況下，二級光譜一般不需要嚴格校正。但當系統的焦距較長，對成像質量要求非常高時，其二級光譜對成像質量影響較大，必須予以校正，因此，復消色差成為長焦距透射式結構光學系統主要的設計難點。
2.消除二級光譜的方法
利用二元元件對系統進行改造，主要是加入二元衍射光學元件，使得像質得到改善從而實現消除二級光譜的目的[2]。從理論上講，利用從矢量衍射理論發展出的多種設計理論加上現代計算機技術的發展可以精確地設計出所需要的衍射結構，但從目前的製造工藝上看，由於二元光學器件是一種表面的三維浮雕結構，要同時控制平面圖形的精細尺寸和縱向深度，所以其加工難度很大。在實際應用中，國內製作的二元光學元件主要應用於口徑小於100mm的鏡頭中，加工費用不菲，成像質量並不理想，如果拿到國外加工，其費用是一般項目很難承擔得起的。此項目要求口徑在200mm以上，所以雖然理論上可以利用二元元件達到比較完善的設計結果，但是在經費緊張的情況下利用二元光學來進行設計基本上沒有太大的實用價值。應用反射式光學系統實現長焦距光學系統設計可以避免光學玻璃色散的產生，不會出現二級光譜的問題，但是反射式系統對軸外像差的校正非常困難，並且次鏡把中間一部分光遮攔掉，隨著視場和相對孔徑的增大，像質迅速下降。對於微光或弱光光源系統來說，這種光能的損失是致命的，而且中心遮攔對光學系統的像質同樣會產生影響，所以如果應用反射式結構來設計的話，必須解決遮攔比的問題。使用特殊玻璃來進行設計，不僅設計比較簡單，而且工藝上還是相對比較成熟的。本系統屬於寬光譜、長焦距投影物鏡，主要校正球差、彗差、位置色差，一般可以用雙膠合物鏡或雙分離物鏡對這3種像差進行校正。但是由於二級光譜較大，如果使用雙膠合系統設計，此系統焦距為5000mm，二級光譜約為2.6mm，對系統的成像質量影響很大[3]。因此，在設計時必須採用3片以上透鏡，且至少有1片透鏡的材料為特殊色散玻璃才能有效地校正二級光譜，從而達到復消色差的目的。綜合各項指標，權衡利弊最終選擇使用特殊玻璃的透射式方案來進行設計。
3.設計過程
主要指標: 焦距為5000mm，相對口徑為1/25，視場為0.8b@0.8b。初始結構的確定是利用波差法設計[4]與計算機技術結合來實現的，其初始結構為三膠合的形式，目的是為了減少中間變量，滿足三膠合物鏡復消色條件，使計算簡化。初始結構如圖1、表1(TF3為特殊玻璃)。
圖1.初始結構
表1.初始結構
通常對於口徑較大的光學系統而言，由於膠合面積較大，要做到完全膠合是比較困難的，而且由於膠合產生的應力也將隨著口徑的增大而增大, 很容易開膠斷裂;分離式結構不僅可以解決由於大口徑膠合所產生的問題，而且所產生的空氣層可以作為像差校正的變量因子，使優化設計有更大的空間.因此，通過使用ZEMAX軟體對初始結構進行優化分析，最後決定使用從三膠合派生出的四片分離式結構為最終設計方案，如圖2、表2
圖2.四片式結構
表2.四片分離式結構
由於孔徑光闌的位置將對像差產生影響, 根據設計要求將孔徑光闌設置在前方200mm處。經過設計與優化，物鏡的各像差曲線及點列圖如圖3~圖6所示。
圖3.波前差
圖4.二級光譜曲線
.
鑑於篇幅，全文內容請↓閱讀原文↓下載PDF文檔！
光學系統設計交流：http://www.opticsky.cn/thread-htm-fid-6.html
+ 掃一掃，關注光行天下公眾號，目前已有1.33萬人關注！+
+ 掃一掃，安裝光行天下移動客戶端APP！+
廣告合作：QQ 9652202 微信號 cyqdesign
光行天下：http://www.opticsky.cn
人才天下：http://hr.opticsky.cn